2018 Fiscal Year Research-status Report
格子ボルツマン法を基とした気液界面と音の相互作用の直接計算手法の確立
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18K03930
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
片岡 武 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (20273758)
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2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 数値計算法 / 音波 / 水面波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
まずは計算負荷の小さい２次元モデルで，液滴と音波の相互作用を計算を実施した。液相と気相は異なる２種類の粒子を用いた。気相と液相が大きく異なる点は，密度と粘性それに圧縮性であるが，気液界面にはまた界面張力が働く。格子ボルツマンモデルは元来理想気体のモデルであるが，このモデルに分子間力に相当する力を組込み液体の圧縮性を模擬する。また空気，水の場合には密度において約800倍の違いがあり，このモデル化は液相での加速度を小さくすることによって可能であることがわかっている。水中音の計算のため，液相を完全な非圧縮とせず気相での音速の４倍ほどの音速になるモデルを開発しているので，このモデルを用いた。
これらの要素を組み込んだモデルで，液滴が液面に衝突する際のシミュレーションの結果を得た。液滴と液面との衝突面で発生した水中音が液滴内および液相内を伝播するとともに，空中にも伝播していく様子が捉えられ，同時に液に細かな気泡が取り込まれることにより，音の放射が２重極的になることも確認できた。
格子ボルツマン法における蒸発，凝縮現象のモデル化は，凝縮相での気体に対する速度分布関数を，その場所での飽和蒸気圧（実際には密度）に対応する平衡分布関数に置き換えることにより，簡単に達成される。ただ，格子ボルツマン法のモデルは，本来の気体分子の運動を正確に表しているわけではないので，パラメータを適切に選ぶ必要があり，これらの最適なパラメータを見出す必要がある。今後の研究課題である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
計算負荷の小さい２次元モデルで，液滴と音波の相互作用を計算を実施したことから，概ね順調といえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
考案したモデルに，気液界面からの水蒸気の蒸発・凝縮効果を導入する。気液界面付近の気相側には，分子の平均自由行程のオーダーであるクヌッセン層での物理量のとびが生じる。水蒸気の蒸発・凝縮現象，特に凝縮課程において非凝縮気体の存在が大きく影響するので注意してモデルの改良を行う。
また，非凝縮気体の，蒸発・凝縮現象への影響は，いくつかのベンチマークテストを分子気体力学を基礎とした計算結果を示した過去の論文を参考に行い，モデルの妥当性を確認する。
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